（材料物理与化学专业论文）锰氧化物、金属多层结构的输运特性研究.pdf

西北工业大学博士学位论文 摘要 自从上世纪8 0 年代末b a i b i c h 在f e c r 多层膜中观察到巨磁电阻效应以 来，由于其潜在的应用前景而成为凝聚态物理学和材料学研究的热点之一；随 后，人们在铁磁隧道结中也发现了自旋相关引起较大的磁电阻效应，而1 9 9 3 年 在掺杂稀土钙钛矿锰氧化物中发现的特大磁电阻效应( c m r ) 更是提高了人们 的研究兴趣，由于这类氧化物属于强关联体系，有着不同的电、磁输运特性，并 且具有光诱导绝缘体金属相变、电荷有序、轨道肓序以及相分离等十分丰富的 物理内涵，成为物理学界和材料学界最活跃的研究领域之一。本文在制备锰氧化 物外延薄膜、锰氧化物铁磁金属( l s m 0 f m ) 和铁磁金属锰氧化物铁磁金属 ( f m l s m o f m ) 多层结构的基础上，探索了锰氧化物薄膜及所形成结构的输 运特性和外场响应特性，其主要研究内容如下： 1 采用溶胶凝胶的方法制备了l a i 。s h m n 0 3 ( 捌0 1 5 ，0 5 和0 3 ) 系列靶 材，x 射线衍射分析表明所制备的靶材具有钙钛矿结构。 2 采用磁控溅射的方法制备了锰氧化物单晶外延薄膜，其低温输运特性表 明随着温度的升高样品展示了典型的金属半导体相变。样品对磁场和激光作用 表现出相似的响应特性，磁场的作用使m n h 和m n 4 + 离子自旋方向趋于一致，双 交换作得到加强，有利于e 。巡游电子的跃迁，从而引起电阻减小；而激光辐照， 在铁磁金属相引起光致退磁效应，诱导电阻增大，在顺磁半导体相，则激发载流 子的运动而使电阻减小。0 5 t 的磁场作用下，f o 0 1 5 的样品在2 4 3 k 时取得的 极大磁电阻值为2 l 。对于z = o 5 样品，在3 6 0 k 时光致电阻相对变化取得极大 值为9 6 2 。 3 首次采用溶胶凝胶的方法在金属c o 基片上制备了l s m 0 ( 护0 2 ) 薄膜 异质结构。低温输运特性表明面内呈现出半导体输运特性，随着温度的增加，其 电阻从1 6 8 m q 改变到1 0 6 k q ，其变化之巨可达3 个数量级，伏安特性表明其 输运主要是准粒子的隧道过程；界面也呈现出半导体输运特性，伏安关系表明在 界面形成了肖脱基势垒。 4 采用磁控溅射的方法首次在s i ( 1 0 0 ) 基片上制备了l a l k 1 0 3 佰e ( 捌0 1 5 ，o 5 和0 3 ) 异质结构。沪o 0 1 5 样品，面内输运表现出金属半导体 摘要 转变，而死于x = c 5 和o 3 的样品，无论是面内还是面间均呈现出半导，本的输运 特性。由于底层f e 金属的强氧化性，导致锰氧化物处j 二缺氧和无序状态，从而 形成了非晶体态能带结构，载流子在定域态之间跳跃或在扩展态的激发过程中产 生半导体输运特性，这一特性也在其伏安关系中得到证实。同时在这一系列异质 结构中首次观察到了瞬间光电导效应，l s m 0 的缺氧产生高度的无序性，使处于 带尾的波函数局域化，光子的注入产生了电子空穴对，同时增加了筏流子的浓 度，可以移动费米面越过迁移率边而引起电导巨大的变化，对于_ x = o 3 的样品， 光致电阻变化的相对极大值在2 2 0 k 的温度点达到了7 5 0 0 ，而对于舻o 0 1 5 样 品在2 9 2 k 时，其光致电阻变化的相对值为2 4 0 0 。 5 提出在s j ( 1 0 0 ) 基片制备f “l a i 。s h m n 0 3 f e ( 捌0 1 5 ，0 5 和o 3 ) 三 层结构，并测试了其低温输运特性，表明垂直面内电阻随着温度的升高而呈现线 性增加，具有金属态导电特性。在5 0 m t 平行薄膜表面磁场的作用下，在所制备 的三层结构中首次观察到正负磁电阻效应，分析表明其主要源于中间层锰氧化物 的铁磁顺磁相变。 关键词：特大磁电阻效应，掺杂稀土锰氧化物薄膜，输运特性，光诱导特性， 锰氧化物金属异质结构，瞬间光电导效应，金属锰氧化物金属三明 治结构， v 西北工业大学博士学位论文 t r a n s p o r tc h a r a c t e ri nm a l l g a n e s eo x c i d e s ，f mm u l t i l a y e r s t r u c t l l r e a b s t r a c t s i n c eb a i b i c h sd i s c o v e r yo ft h eg i a n tm a g l l e t o r e i s t a n c e ( g m r ) i nm u l t i l a y e r f i l m s ，t h em a 印e t o r e s i s t a n c ee a e c th a s 枷c t e dm ea n e n t i o ni nc o n d e n s e dp h y s i c s a i l dm a t e r i a l sf i e l d sd u et oi t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n u n d e rn l es t i m u l a t i o no f t l l eg m r e 能c t ，也el a r g e r 臼l n n e l i n gm a 印e t o r e s i s t a i l c e ( t m r ) e 艇c tw a sa l s od i s c o v e r e di n 1 9 9 5 f 、l r t h e 咖o r e ，s i i l c et t l ed i s c o v e r yo ft h ec o l o s s a lm a g n e t o r e s i s 诅c n e ( c m r ) i n d o p e dp e r o v s k i t em a n g a n e s eo x i d e si i l1 9 9 3 ，i th a sb e c o m eo n eo fm em o s ta c t i v e r e s e a r c hf i e i d sb e c a u s et h em a l l g a n e s eo x i d e sb e l o n gt ot l l es 口o n g l yc o r r e l a t i o n s y s t e m ，e ) 【 l i b i t st h ed i 虢r e me l e c t r i c a l 、m a g i l “cr e s p o n s ea n dh a st l e a b u i l d a m p h y s i c a lp h e n o m e n a ，s u c ha sp h o t o i n d u c e di l l s u l a t o r _ m e t a i 仕a n s i t i o n ，c h a 唱eo r d e r s t a t e ，o r b i t a lo r d e ra i l dp h a s es 弓p a r a t i o n ，e t c i l lm i s 也e s i s ，b a s e do nm a n g a n i t e s e p i 锨i a l 丘l m ，m a i l g a n i t e 柞m h e t e r o s t n l c u r ea 1 1 df m a l l g a n i t e s f ms a n d w i c h s 锄积瑚e ，t h e 锨m s p o r ta n df i e l dr e s p o n s ec h a r a c 托r sh m em a i l g a n t e sf i l ma r dc h e s 协l c t u r e l a v eb e e ni i l v i s t a g e d o u rn l a i l lw o r k sa r ea sf 0 1 l o w s ： 1 t h el a l 吖s r j m n 0 3 ( 乒o 0 1 5 ，o 5 ，a n d0 3 ) b u l km a t e r i a l sh a v e b e e np r 印a r c d b ym es o l g e lm e t t l o da n dt h ex r a yd i 脑撒i o n 撇l y s i so fm es a m p l e ss h o 、st l l a tt h e t a r g e t sh a v e 也cp e r o v s l 【i t es m l c t u r c 2 t h ee p i t a x i a ll a l 吖s r i m n 0 3 ( x = o 0 1 5 ，o 5a n do 3 ) f i l m sh a v e b e e nd e p o s i t e d o nl a a l 0 3 ( 1 0 0 ) s u b s t r a t eb ym em a g n e 仃o ns p 啦e r i n gm e 也o d t h e 位m s p o r t c h a r a c t e ri n d i c a t c sm 砒t h ef i l m se x h i b i tt t l et y p i c a lm e t a l s e m i c o n d u c t o r 廿a i l s i t i o n t h es a m p l e sh a v et h es i m i l a rr e s p o l l s ef o r 也em a g n e t i cf i e l da i l dl a s e ri n 丑d i a t i o n t h e v i 摘要 m a g n e t i c 矗e l dt c n 山t ou n i f o r r i lt h cs p 】c o r eo ft l l em n 3 + a n dm n 4 十，n i e r e f o r et i l c d o u b i ee x 曲a n g eb e c o m e ss t r o n ga i l di tf a v o r s 也ee gh o p p i n g s ot h er e s i s t a n c e i n c r e a s e s t h e 】a s e rc a u s e s 出ep h o t o i n d u c e dd e m a g n e t i z a c i o na tf e n o m a g n e 亡i cp h a s e a 1 1 de x c i t e st h ec 秭e r sa tp a r 锄a g n e t i cp h a s e t h em a x i m 啪m ri sa b o u t2 l a t 7 ：2 4 3kf o r t h es 蜘p i e 捌0 1 5w h e nt h em a g i l e t i cf i e l di so 5t t h em a x i m u n l p h o t o i n d u c e dr e l a t i v ec h a i l g em r e s ；s t a n c ei sa b o u t9 6 2 a t3 6 0kf o rt h es a m p l e x = o 5 3 n l el s m o ( l s m o 捌2 ) h e t e r o s 觚c t u r eh a sb e e np r e p a r e do nc os u b s 伽e b yt h es 0 1 g e lp r o c e s s b o mm em e a s u r e dc i pa i l dc p pr e s i s t a n c e rr e l a t i o n sf a v o r t h es e m i c o n d u c t o r t y p ec o n d u c t i o ni nt h ew h o l et e m p e 咖r er a n g ea i l dt h e r ei sn o d i s t i n c tr e s i s t a n c ep e a kf o rc i pg e o m e t r y t h ec h a i l g e si 1 1r e s i s t a n c ew i t l li n c r e a s i n g t l l et e m p e r a t u r ea r em o r e 血a nm r e eo r d e r so fm a g i l i m d e t h em e a s l l r e dr e s i s t a n c ei s s t a b l ea 1 1 d r e p e a t a b l e t h e c i p g e o m e t r y b e l o w3 0 0ke x 王1 i b i t s t h e v a r i a b j e 一啪g e h o p p i n gm e c h a 工1 i s ma n d 出ec u r r e n t v o i t a g ec h a r a c t e r i s t i cs h o w sm a t t h ed o m i n a n tt r a l l s p o r ts e e m st ob et h eq u a s i p a n i c l et u 姗e l i n g t h es c h o t 墩yb 锄c r f o m l sa tt h el s m 0 c oi n t e r f a c e 4 t h el a i 吖s k m n 0 3 f e ( 沪o 0 1 5 ，0 5 ，a n d0 3 ) h e t e r o s t m c t u r e sh a v eb e e n p r e p a r e d o ns i ( 1 0 0 ) s u b s t r a t e 1 1 1 es 锄p l ef o r 炉o 0 1 5e x h i b i t st i l e t 埘c a l f e 玎o m a g n e t i cm e t a l l i c ( f m ) 一p a r 锄a 弘e t i ci 1 1 s u l 砒i n g ( p i ) p h a s et r a n s i t i o ni nc i p g e o m e 仕ya t7 - l3 0kn e a rt ot h ep e a kr e s i s t a n c et e m p e r a t u r e ( 乃) t h es a m p 【e sf o r 萨o 5a i l do 3f a v o rm es e m i c o n d u c t i v et y p ec o n d u c t i o nr e g a r d l e s so ft h ec i pa i l d c p p g e o m e 缸y d u r i n gm ef o m l a t i o no ft h ei n t e r f k eb e t w e e nm el s m 0f i l ma n df e ， t h eo x y g e no fl s m of i l mi sa b s o r b e d b yt h ef ef i l mb e l o wd u et o 血es 仃o i l g o ) 【i d i z a b i l i l yo ff e ，w h i c hr e s u l t si i lt h el s m of i l mi n1 1 i 曲l yo x y g e nd e 6 c i e n c y 1 r t l e d i s o r d e rd u et ot h eo x y g e nd e f i c i e i l c yi nl s m 0f l l mi n d u c e st i l cs 锄p i ei t le n c 娼y b a n ds t n j c t u 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p l ea lx ：o 3 t h ep h o t o - i n d u c e dr e l a t i v ec h 卸g e nr e s i s t a n c ej sa b o u c 2 4 0 0 f 0 r x = 0 0 1 5a t7 = 2 9 2k 5 t h ef e l a l 吖s f i m n 0 3 f e ( f ：o 0 1 5 ，0 5 ，a 1 1 d0 3 ) f es a i l d w i c hs 协j c t u r e si m v e b e e np r e p a r e db ym a g n e n d ns p u t t e r i n ga r l dt h ec p pr e s i s t a l l c el i n e a r l yi 1 1 c r e a s e sw n i i l c r e a s i n gt e m p e ra _ n 眦，i n d i c a t i n gt 1 1 a ti th a st 1 1 em e t a l l i cc o n d u c t i o n n l es a n d w i c h e s e x h i b i tn l ep o s i t i v ea i l dn e g 砒i v em a g n e t o r e s i s t a l l c ee 丘e c ta st h et e m p e r a t u r ei s i n c r e a s e d ，w h i c hc a nb e 砌b u t e dt ot h ef e r r o m a g n e t i c p a r 锄a g n e t i ct m s i t i o no ft h e m 觚g a l l i t e sl a y e r k e yw o r d ：c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a l l c ee 艉c t ，d o p e dr a r ee a n hm a i l g a n e s eo x i d e f i l m ，t r a i l s p o r tc h a m c t p h o t o m d u c e dc h a r a c t e r ， m a l l g a n i t e s f m h e t e r o s t r u c t u r e ，t r a n s i e m p h o t o c o n d u c t i v i t y ，f m ，m a l l g a 工l i t s f m s a n d w i c hs t r u c n l r e v i 两北工业大学溥士学直论文 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校自关煤护知识产汉构规定，即：研究生芒e 使攻读学位 期间沦之上怍的知识产权单位属于西北t ：业大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的曼印件和电子版。本几允许沦文被查阅和借词，学 校可以：睁本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行险素可以采j l j 影印、缩印或扫描等复制手段保存辅汇编本学位论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章+ 律注明作者单位为西北j 二业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 靴：匆铷艚溯躲影彳b学何i 仑文作者整亿：7 ：i ；! ：! 丝丝坠指导教师签名：i ：! ! 望7 归 j 舄i 。目 i 。：l 鹞” 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所瞿交的学 位论文，是本入在导师的指导下进行研究l 作所取得的成果。尽我所知，除 文中已经注明引用的内容和敛谢的地疗外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它 _ i ；j 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 镌花费 沙j | ；_ 年一月卜日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究意义 材料中的电子既是电荷载体，又是自旋载体。人类对电子的荷电性已经有了 比较深入的认识，并利用其荷电性在半导体芯片上创造了现在的信息时代。但是 对电子自旋，特别是对电子自旋极化输运的认识和控制以及利用电子的自旋来操 纵它的输运过程才刚刚开始。尽管5 0 年前，在科学上已经发现自旋极化输运的踪 迹，但真正开始认识其奇异磁效应并试图控制和利用它还是近几年的事。 自从8 0 年代至今，多层结构的研究一直是人们十分感兴趣的研究领域，磁有 序、层间耦合、电子输运等特性的研究广泛地进行着。1 9 8 8 年，b a i b i c h 在f e c r 多层膜中首次发现了巨大的磁电阻效应立刻引起全世界的轰动。这种多层膜是由 铁磁层和非磁层交叠而成，其中单层厚度仅为1 3 n n l ，铁磁层中存在方向一致的 磁矩。当不同铁磁层的磁矩之间彼此平行，载流子自旋相关的散射截面极小，材 料呈现低电阻；当不同铁磁层的磁矩之间彼此反平行，载流子自旋相关的散射截 面极大，材料呈现高电阻，称之为巨磁电阻效应( g m r ) 。随之，人们不仅在多 种“铁磁金属非铁磁金属”多层膜中发现了巨磁电阻效应，而且在“铁磁金属非铁 磁金属”颗粒膜中也发现了巨磁电阻效应l ，室温下，其差别可以从i o 到9 0 。 随着巨磁电阻现象研究的深入，有关铁磁体绝缘( 半导体) 铁磁体( f m i s f m ) 隧 道结的研究又重新引起了人们极大的关注，1 9 9 5 年在f e a 1 2 0 3 f e 组成的三明治结 构中发现其隧道磁电阻( t m r ) 值在室温下达到1 8 【4 ，5 l 。与此同时，1 9 9 3 年， h e l m o l t l 6j 等人在类钙钛矿结构的l 勋3 b a l ，3 m n 0 3 铁磁薄膜中发现，在室温下， 5 0 k 0 e 外磁场作用时其磁电阻效应4 黜r h 达5 0 。随后，熊光成教授在m a r y l a n d 大学访问研究期间发现外延薄膜n d o7 s r 03 m n 0 3 5 【7 】在温度为6 0 k ，8 0 k o e 的磁场 下，其磁电阻剐r h 为1 0 6 1 0 6 ；钱嘉陵教授( c l c h i e n ) 研究组也发现烧结块材 n d 06 5 c a 03 5 m n 0 3 n 在3 0 k 以下温度，5 0 k o e 的外磁场下，其电阻率从1 0 3 【h 以上 下降至l o 。4 m ，其变化的幅度达七个数量级以上，故冠以特大磁电阻效应 ( c m r ) 的称谓。多层结构磁电阻效应、隧道磁电阻效应，尤其钙钛矿结构锰 氧化物的特大磁电阻效应的发现，为新型高密度高速度信息存储手段和应用开辟 了崭新的一页。 在新材料科学领域，具有人工结构的功能材料是2 l 世纪的研究热点。在诸 多人工结构材料中，超晶格、纳米多层膜、纳米多晶体、纳米线阵列、纳米颗 粒膜等纳米结构材料以其独特的物理化学特性、丰富的物理内涵成为瞩目的焦 点。许多人工纳米结构材料具有附加自由度，通过改变自由度可以对其物理化 学性能进行人为的控制或剪裁。探索纳米人工结构材料及其物性是基础和应用 西北工业大学博士学位论文 基础研究的主题之。 1 2 本文提出和研究内容及课题来源 掺杂稀土钙钛矿锰氧化物的磁电阻效应要比多层膜及隧道结体系的磁电阻 效应大得多，实验观察到的最大的磁电阻效应已经达到1 0 5 1 0 6 1 9 l ，具有潜 在的应用前景。除了它异常的磁电阻效应，此类材料还表现出对电场、压力、 光辐照等外加物理场极强的相结构敏感性。研究显示掺杂稀土锰氧化物是电 荷，自旋、轨道和晶格等目由度强烈耦合的关联体系，这些量之间某种适当的 平衡将导致材料相应的相及性质。施加一个外加物理场，比如光辐射，会彻底 改变材料电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间的某种平衡，从而改变材料的输 运性质 1 “”1 。现在对于锰氧化物材斟的研究主要有两个方面： 1 采用掺杂的方法、多晶或缺陷结构等对锰氧化物材料进行深入细致的研究； 2 利用多层异质结构( 如与超导、铁电体形成的异质结或超晶格结构) 对能带 结构进行剪裁和调制，来研究锰氧化物的物理特性，进一步探索研制高质量 和高性能器件的机理。 在本文提出了利用l s m o f m 异质结构和f m l s m o f m 多层结构来探索 改变锰氧化物薄膜输运特性的想法，主要研究内容如下： 1 研究l s m 0 单晶薄膜与激光的相互作用，并从理论上定性分析了激光诱导输 运特性； 2 研究了l s m o f m 异质结构的低温输运特性； 3 研究激光和电场等外场对l s m o f m 异质结构输运特性的影响，并对其进行 定性解释； 4 探讨了具有混合价锰氧化物层的金属三层结构f m l s m o f m 的自旋极化电 子输运特性，并对锰氧化物层的不同电磁状态对多层膜垂直面内输运特性影 响及其磁电阻效应的关系。 本课题来源于国家自然基金( 5 0 3 3 1 0 4 0 ，6 0 1 7 1 0 3 4 ) 和西北工业大学博士生 创新基金。 2 第一章绪论 参考文献： 【l 】mn b a i b i c he ta l ，p h y s r e v l e t t 6 l ，( 2 4 7 2 ) 1 9 8 8 【2 】g x i a o ，j s j i a n ga n dc c c h i e n ，p h y s r e v l e t t 6 8 ，3 7 4 9 ( 1 9 9 2 ) 【3 】a e b e r k o w i t ge ta l ，p h y s r e v l e 扯6 8 ，3 7 4 5 ( 1 9 9 2 ) 【4 】j s m o o d e r 钆l r k i i l d e r im w b n ga n dr m e s e r v e y ，p h y s r 暑v l e t t 7 4 ， 3 2 7 3 ( 1 9 9 5 ) 【5 】tm i y a z 越，a i l dn t e z u k a ，j m a 印m a 弘m a t e l1 3 9 ，l 2 3 l ( 1 9 9 5 ) ；1 5 l ， 4 0 3 ( 1 9 9 5 ) 6 1r 、，o nh e l l i 】山o i t ，p 1 1 y s r e vl e n 7 1 ，2 3 3 1 ( 1 9 9 3 ) 7 】g c x l o n g ，q l i ，h lj u ，s n m a o ，l s e n a p a t i ，x x x ia n dr l g r e e n e ， a p p l p h y s l e n 6 6 ，1 4 2 7 ( 1 9 9 5 ) 【8 】k l i u ，x w w u ，k h a h a ，t s u l c h e ka i l dc l c 1 1 i e n p h y s r e v b5 4 ， 3 0 0 7 ( 1 9 9 6 ) 9 】s j i ne ta l ，s c i e n c e2 6 4 ，4 1 3 ( 1 9 9 4 ) 1 0 k a t o ，r c m y e r s ，a c g o s s 矾，d d a w s c h a l o m ，n a t u r e ，4 2 7 ，5 0 ( 2 0 0 4 ) 1l 】t o k y as a t o h ，k e n j i r om i y a i l oe ta l ，p h y s i c a lr e v i e wb7 2 ，2 2 4 0 3 ( 2 0 0 5 ) 1 2 】a k a g a i l ，s ，a l 且s h ae ta l ，s c i e n c e3 0 4 ，1 2 9 3 ( 2 0 0 4 ) 1 3 】t _ m e r t e j ，d m 1 l i a i o v i ce ta l ，p h y s r e v b6 8 ，2 51 1 2 ( 2 0 0 3 ) 1 4 d l i m ，u k t h o r s m l l ee ta l ，p h y s r e v 7 1 ，1 3 4 4 0 3 ( 2 0 0 5 ) 【15 】yw 址f d l a y a s h i ，d b i 瑚e ta l ，p h y s r e v l e t t 9 6 ，1 7 2 0 2 ( 2 0 0 6 ) 西北工业大学博士学位论文 第二章文献综述 自从上个世纪9 0 时年代钙钛矿混合阶锰氧化物月l 一，m n 0 3 f 其中r 为稀 土元素，4 为碱土元素、的特大磁电阻效应( c m r ) 的发现，把自旋电子学和 材料研究引向一个新的高瑚。c m r 效应是自旋极化电子输运的充分体现，除了 它异常的磁电阻效应以外，此类材料还表现出对外加物理场极强敏感性。研究 表明，钙钛矿结构掺杂稀土锰氧化物是电荷、自旋和晶格自由度强烈耦台体系， 外场，如磁场和光照可以改变它们之间的平衡，从而改变材料的相结构和性质。 在本章主要对各种磁电阻效应、锰氧化物材料的物理性能、锰氧化物多层结构 及非晶态锰氧化物的物理特性进行了综述。 第一节磁电阻效应的分类、特点及性能 材料的磁致电阻效应或磁电阻效应( m a g n e t o r e s i s t a l l c e ，m r ) 是指材料的电阻 率随外加磁场强度的变化而变化的现象，磁电阻效应的大小通常由最大磁电阻 幅来表征，习惯定义为： m 肛丝粤盟：黑 ( 1 ) p ( 0 )p ( o ) 或m r - 丛丝2 二趔2 ：垒生( 2 ) p ( h )p ( 日) 其中p ( h ) 为磁饱和条件下的电阻率，p ( o ) 为零磁场的电阻率，p 为有无 磁场时电阻率的改变值。对于大部分多层膜和颗粒膜材料，由于很难达到磁化 饱和，通常采用较大磁场强度下的m r 作为磁电阻效应的值。在本论文中采用 公式( 1 1 ) 。 按类型分，磁电阻效应的分类如下图2 1 ，以下对其进行一一介绍。 1 1 正常磁电阻( o m r ) 效应 早在1 8 5 6 年，英国著名的物理学家汤姆孙就发现了磁致电阻现象。正常磁 电阻是普遍存在于所有金属中的磁电阻效应 甜，其特点是： 1 ) 电阻值m r o ： 4 第二章文献综述 图2 1 磁电阻效应的分类 2 ) 各向异性，但p 1 p ，其中p 上为外加磁场与电流方向垂直时的电阻 率，p 为外加磁场方向和电流方向平行时的电阻率： 3 ) 当磁场不高时，m r 正比于h 2 。 o m r 来源于磁场对电子的洛伦兹力，该力导致载流子运动发生偏转或产 生螺旋运动，从而使电阻升高。其原理符合k o h l e r 规则【3 】： o m r ：垒：f ( h ，p 。)( 3 ) p o 在低场极限，o m r 正比于磁场的平方。如下式： d 枷：垒旦：c d 珊r + ( 日风) 2( 4 ) 风 大部分材料的o m r 值都较小，如铜在h = l o d t ，即l o0 e 时，o m r 仅为 4 + 1 0 罐。而b i 薄膜在1 2 t 时，o m r 约为7 2 2 1 4 】；其单晶在低温下可达 1 0 2 1 0 8 【5 1 。一些半导体材料也有较大的0 m r ，并已经开发成产品化的磁电阻 传感器，如i n s b g a s b 共晶材料，当陆= o 3 t 时，室温0 m r 为2 0 0 【6 1 。 西北工业大学博士学位论文 1 2 各向异性磁电阻( a m r ) 效应 在居里点以下，铁磁金属的电阻率随电流i 与磁化强度m 的相对取向而不 同的现象，称之为备向异性磁电阻效应n 即p 上p 。各向异性磁电阻值通常 用公式表示为： a m r = p p a = ( p 一p 二) p a ( 5 ) 其中p a = ( p + 2 p i ) 3 。 低温5 k 时，铁、钴的各向异性磁电阻值约为1 ，而坡莫合金( n i o8 1 f e o1 9 ) 为1 5 ，室温下坡奠合金的各向异性磁电阻值仍有2 3 。由于最大的p p 。值 是在饱和状态下得到的，必须定义单位磁场引起的电阻率变化作为器件的灵敏 度，s 。= ( p p 。) h 。对于坡莫合金，其饱和磁场约为1 0 0 e ，故它的灵敏度 s 。= o 7 0 3 o e 。 早在1 8 5 7 年t h o m s o n 【8 】就发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻( a m r ) 效应。由于科学发展水平及技术条件的局限，数值不大的a m r 效应在一个多 世纪的历史时期内没有引起人们太多的关注。直到1 9 7 1 年，h u m 【9 】提出可以利 用铁磁金属的a m r 效应来制作磁盘系统的读出磁头。在随后的二十年中，这 样一个非常小的磁电阻效应对计算机存储技术产生了深刻的影响。1 9 8 5 年i b m 公司使h u n t 的设想成为现实，并将这样的读出磁头用于i b m 3 4 8 0 磁带机上； 1 9 9 0 年又将感应式的写入薄膜磁头与坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合 成双元件一体化的磁头，在c o p 疋r 合金薄膜记录介质盘上实现了面密度为 1g ，i n 2 的高记录方式f l o j 。1 9 9 1 年日立公司报道了在3 5 英寸磁盘上实现了2 g i n 2 的高记录密度。所有这些都是采用坡莫合金的a m r 效应，室温时a m r 的 值约为4 1 1 2 1 。目前有些大公司在不断提高a m r 读出的潜力。现在最先进的 a m r 读出磁头具备高灵敏和低噪音的特点。为了达到这个目的，用于a m r 读 出磁头的坡莫合金薄膜必须磁性能更好，做得更薄，矫顽力更小，而a m r 值 尽可能大1 1 3 ，1 4 j 。在1 9 9 8 年i b m 公司利用1 2 衄厚的n i o8j f e o1 9 薄膜做成的计算 机硬盘读出磁头，磁阻的变化率为1 8 ，为了实现面密度为3 g i n 2 的高记录方 式【”j ，i b m 公司利用( n i o8 l f e 0 1 9 ) i x c r x 作为n i o8 l f e o l 9 薄膜的缓冲层，在1 2 衄 厚的n i o8 l f e o1 9 薄膜上得到高达3 的磁电阻变化率( 1 6 】，这意味着磁记录面密度 将进一步提高。 1 3 多层膜磁电阻( g m r ) 效应 1 9 8 6 年德国人p g m b e 对1 7 1 在f e c r f e 三明治结构中发现，当c r 层厚度 合适时，两f e 层之间存在反铁磁耦合作用。根据这一结果，几十年来一直致力 于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家a f e n 设计了( f e c r ) n 6 第二章文献综述 多层膜，成功地使磁电阻效应得到放大。1 9 8 8 年他与m n b a i b i c h l j 8 l 等人报道 了这一晾人的发现，( 如图2 2 ) 在由f e 、c r 交替沉积而成的多层膜( f “c r ) n ( n 为周期数) 中，发现了超过5 0 的磁电阻变化率。由于这个结果远远超过了多 层膜中f e 层m r 的总和，所以这种现象破称为巨磁电阻( g m r ) 效应。1 9 9 0 年 p a r 虹n 等人发现用简单的磁控溅射方法制各多晶f e c 胛e 三层膜和f e c r 多层 膜同样具有巨磁电阻效应f 1 9 00 1 。随后在多种组合的磁性多层膜中发现了该效应 怛。2 5 】。这种磁电阻效应具有以下特点： 1 ) 磁电阻值比a m r 的大； 2 ) 磁场增加呈现负磁阻变化； 3 ) 基本为各向同性。 一- 3 0 一一l o ol o3 0 押，( 1 0 5 a m 一) 肛：堪翱磁场强度 图2 2f e ，c r 多层膜电阻的变化曲线( 引自文献 1 8 ) 1 4 自旋阀磁电阻效应 为了满足灵敏度的要求，1 9 9 1 年，m m 公司的b d i e n y 【2 6 1 等人提出了一个 简化的四层结构，即磁层m 1 月 磁隔离层磁层m 2 反铁磁钉扎层p ，称之为自 旋阀( s p i n v a l v e ) ，其中，层p 具有较强的单方向磁性，它通过各向异性交换 作用将磁层m 2 的磁矩钉扎在易磁化的方向上。由于非磁层的隔离，使得磁层 m l 和m 2 之间的作用很弱，m 1 可以在较小的外场下自由转动，因此被称为自 由层。而此时由于钉扎层的钉扎作用，使得磁层m 2 的磁矩方向不能任意转动， 西北工业大学博士学位论文 于是就出r 见了两眭层磁矩平行与反平行两种状态，分别对应于7 氏电阻状态和高 电阻状态。按照自旋阀的工作原理，它可以好为以下两种形式： 1 ) 、一种称为不同矫顽力型的自旋阀结构，它是由软磁铁层f m l 月 磁性 金属层n m 硬铁磁金属层f m 2 组成，如图二3 ( a ) 所示，由于两铁磁层矫顽力 f m 2 n m f m l 衬底 a f f m ： n m f m l 衬底 ( a )( b ) 图2 ，3自旋法的两种基本结构形式( 引自文献【2 6 】) 的不同，在外磁场的作用下，软铁磁层的磁化方向首先翻转而硬铁磁层的磁化 方向届发生变化，在此过程中的两铁磁层的磁化方向由反平行排歹1 j 到平行排列 而产生电阻的变化。 2 ) 、另一种称为偏置型自旋阀结构，它是由铁磁层( 自由层) f m l 隔离 层( 非磁性层) n m 铁磁层f m 2 反铁磁层a f 组成，如图2 - 3 ( b ) 所示，通过 反铁磁层( 如f e m n 、n i 0 和t b f e 等) 与铁磁层之间的强交换耦合作用所引起 的单向各向异性偏置场使铁磁层的磁矩产生钉扎，由于外加磁场的作用使未被 钉扎的铁磁层的磁矩发生变化，而被钉扎的铁磁层的磁矩未发生变化，从而使 铁磁层的磁矩出现平行排列和反平行排列而产生不同的电阻变化。 自旋阀三明治还在衬底和三明治之间加入缓冲层，在三明治之上加入盖 层( 起保护作用) ，而不同的缓冲层材料对自旋阀型磁电阻有较大的影响1 2 ”。 与磁性多层膜相比，自旋阀结构具有以下优点： 1 ) 磁电阻的变化对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好； 2 ) 饱和磁场